光催化二氧化钛纳米棒微阵列增强钛表面的抗真菌和抗细菌作用

摘要

目的:
　　探究光催化二氧化钛纳米棒微阵列(TiO2 nanorod arrays，TNRs)的抗真菌及抗细菌的作用。
　　方法:
　　采用水热反应和烧结技术在纯钛(titanium，Ti)表面制备金红石晶型的TNRs。通过扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)、透射电镜(transmission electron microscope，TEM)、原子力显微镜(atomic forcemicroscopy, AFM)、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）以及接触角测量对TNRs进行表面表征。经降解甲基橙(methyl orange，MO)溶液评价TNRs的光催化活性。选择白色念珠菌（Candida albicans，C.albicans）作为抗真菌实验的研究对象，伴放线聚集杆菌(Aggregatibacter actinomycetemcomitans,A.actinomycetemcomitans)及牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis，P.gingivalis)作为抗细菌实验的研究对象，检测紫外光催化TNRs对此三种微生物的生物膜态和浮游态的抑制作用，纯Ti作为对照。针对C.albicans生物膜，采用结晶紫法(crystal violet assay)和XTT法(XTT assay)分别对其生物膜的量和生物膜活性进行半定量分析，并采用激光共聚焦显微镜(confocal laserscanning microscope，CLSM)及Image J软件定量分析其生物膜内死菌比例及生物膜厚度;针对Aa和Pg形成的单菌种生物膜，分别进行活/死菌染色后用CLSM观察并定量分析生物膜内死菌比例及生物膜厚度;针对此三种微生物的浮游态，均采用菌落计数法(colony-forming assay)统计分析。活性氧(reactive oxygenspecies，ROS)荧光定量检测法(fluorogenic quantitative assay)进一步探究光催化TNRs的杀菌机制。
　　结果:
　　采用水热反应和烧结技术在Ti表面成功制备出TNRs。TNRs呈致密有序状垂直分布于Ti表面，粗糙度比Ti大，亲水性比Ti好。单一纳米棒的粗度约为100nm，属于金红石晶型。光催化TNRs对MO溶液的降解呈一级动力反应，具有高效稳定性。结晶紫和XTT结果表明，经过2h紫外光催化TNRs相比于紫外光照Ti能够显著降低C.albicans生物膜的生物量(p＜0.01)及其生物膜活性(p＜0.01)。CLSM原位观察可见，TNRs表面形成的C.albicans生物膜多数呈现酵母相，而Ti表面的多数呈现菌丝相。CLSM三维扫描及软件定量分析得，光催化TNRs不仅能显著增加C.albicans生物膜内死菌比例(p＜0.01)，而且能明显降低其生物膜厚度(p＜0.01)。对生物膜态的Aa和Pg的检测结果表明，相同紫外光照射后，TNRs表面的Aa或Pg生物膜比Ti表面生物膜内的死菌比例明显增加(p＜0.05)，但生物膜厚度的降低未见明显差异(p＞0.05)。菌落计数结果表明，对这3种初始浓度为1×106 CFU mL-1的浮游态微生物，光催化TNRs相比于紫外光照Ti表现出显著增强的抗真菌和抗细菌效果(p＜0.01)。荧光定量检测法得出光催化TNRs显著高效的抗菌作用与细胞内大量活性氧的产生有关。
　　结论:
　　本实验经过简单易行的水热反应和烧结技术在纯Ti基质上成功制备出金红石晶型的TNRs。紫外光催化该TNRs对浮游态和生物膜态的C.albicans、Aa及Pg，均表现出极强的抗真菌及抗细菌作用。细胞内大量活性氧的产生解释了这种安全高效、无耐药性的杀菌效果。这种在Ti表面发生反应而获得的安全高效的光催化抗微生物的特性，为口腔内应用的Ti材料的表面改性提供新思路，从而有望降低义齿性口炎、种植体周围炎等材料相关感染的发病率以及减少抗生素的滥用。

目录

声明

摘要

中英文缩略词表

前言

材料与方法

1 实验材料

2 实验方法

1．样品表面表征结果

2．TNRs光催化活性检测结果

3．光催化TNRs抗生物膜态C．albicans结果

4．光催化TNRs抗浮游态C．albicans结果

5．光催化TNRs抗生物膜态Aa结果

6．光催化TNRs抗浮游态Aa结果

9．光催化TNRs抗菌机制探究结果

讨论

全文总结

附图

参考文献

致谢

硕士学位期间发表的文章